长江流域水文分析计算史略

长江流域水文分析计算史略
（2000年）
提要
本文为韩承荣主编的长江志水文篇的一部分，全文经过多次集体讨论修改后完成，其主要内容是叙述流域内各省市对设计暴雨、设计洪水产流汇流计算、径流、泥沙分析计算及水资源评价等的工作进展过程和成果记录，其中对丹江口水库和三峡水库的水文分析计算的史略较为详实。

关键词：水文分析计算水文手册水文图集设计洪水三峡水利枢纽丹江口水利枢纽
水文分析计算是水利水电和有关工程建设中规划设计工作的重要组成部分，为工程项目的规划、设计、施工和管理提供水文数据和成果，是研究工程项目经济合理性、技术可行性的重要依据。

水文分析计算工作的主要内容包括：基本资料的收集和整理统计；设计洪水计算；设计暴雨及产、汇流计算；径流分析计算；泥沙分析计算；水资源评价及地下水、水情、水质等专项水文分析计算。

早期长江流域水利工程建设只是主事者根据对水文现象、河道水流变化的简易观察和一些朴素认识与体验来进行，虽然也有成功的实例，如都江堰工程、运河工程等，但因缺乏水文资料，不可能进行水文分析计算，致失败者屡见（如南阳方城间运河），甚至造成严重危害。

近代水文科学传入中国以后，长江流域水利工程建设开始作些简单的水文分析计算工作，如云南螳螂川水电站在民国初年进行过径流计算。

其后扬子江水道讨论委员会、扬子江水利委员会、长江水利工程总局，曾将长江主要水文测站资料整理统计刊用。

江苏白茆闸、安徽华阳闸、湖北金水闸、四川綦江渠化工程都曾进行粗略的水文分析。

三峡工程的勘测、规划及江汉整治计划中，曾应用汉口、宜昌及有关地区水文资料进行过粗略分析。

1931年、1935年大洪水后曾对洪水形成原因、汉口与汉江碾盘山洪峰流量，运用数理统计频率分析，估算其重现期。

当时的分析方法比较简单，加之战患频仍，政局动荡，工程建设维艰，即令有个别项目兴建，亦均赖外国人设计施工，水文分析计算工作难以开展。

建国后，随着江河的开发治理和水利工程建设，长江流域水文分析计算工作迅速发展，成为水利水电工程及国民经济建设的一项重要基础工作。

其技术发展约以70年代后期为界，大致可分为两个阶段：第一阶段，主要侧重于流域开发治理中的规划、设计、施工和水利枢纽建设中的水文计算问题，并多以洪水分析计算为主，到60年代后期已形成了适合长江特点的、比较完整的一套分析计算方法，并在较多经验的基础上编制设计洪水规范、水文计算规范等技术文件，统一了标准；第二阶段，由于水资源开发、利用、管理和保护问题日益突出，对防洪调度系统的研究、河口及沿海开发地区的水文计算、城市
水文及生态环境变化过程中水文规律的相应变化及其相互影响等新课题不断提出，近20多年来的水文计算围绕这些问题的研究，取得了新的进展。

经过40多年来的实践和研究，长江流域的水文分析计算技术发展已具有自己的特色：
（1）在设计洪水计算方面，由单纯对已发生大洪水资料的直接使用，到根据数理统计理论，运用随机模拟方法，从气象方面分析暴雨洪水的成因，进而发展到统计、成因有机综合的水文气象途径；同时，从计算坝址设计洪水到研究入库设计洪水也有可喜的进展。

（2）在水文资料应用方面，由仅仅应用短期少量实测水文资料，到充分利用我国历史文化悠久、文献典籍丰富的优势，查考历史雨情、水情记载，延展水文资料系列；尤以利用现代技术分析估算历史洪水的量级和重现期，具有开创性特色，其经验已得到国际水文界的重视。

（3）在频率计算方面，在广泛分析各种经验频率公式的基础上，提出了多个特大洪水加入的经验频率计算公式。

（4）在产、汇流方面，成功地研制出不同条件下的产流模型和实用的汇流曲线。

（5）在可能最大降水计算方面，长委会在国内最先将气象与水文结合，进行可能最大降水计算研究，提出了大面积长历时可能最大降水计算的一系列方法，并对水汽净输送量、对流模式等方法进行改进和创新。

长江流域水文分析计算的主要经验可概括为：重视基本资料；深入系统调查研究历史洪水和古洪水；加强综合分析，做好合理性检查；不断改进分析计算方法，提高成果精度和可靠性。

流域内开展水文分析计算的单位除水利系统的水文和设计部门外，还有能源、交通、铁道、农业、林业等部门的勘测设计机构和科研机构，以及河海大学、成都科技大学、武汉水利电力大学等高等院校，也结合教学生产，开展了这些工作。

本章主要记述设计洪水计算；设计暴雨计算；区域水文计算；水资源评价与分析和典型工程水文计算等。

关于径流分析计算，因其分析计算方法基本上与设计洪水相同，有的工作内容已在有关章节中述及，而水利规划和某些专项工作所需设计径流的分析计算将在本志其他篇章中记述。

第一节设计洪水计算
设计洪水是根据流域洪水形成的客观规律，结合工程任务、规模和要求而拟定的某一设计标准的洪水。

设计洪水计算的内容主要包括：推求设计洪峰流量、不同时段的设计洪水总量、设计洪水过程线，有时还需要提出设计洪水的地区组成和分期设计洪水等。

根据工程性质和水文资料条件的不同，往往采用不同的计算方法。

本节主要记述用流量资料推求设计洪水。

一、基本资料的整理分析
根据设计洪水计算的需要，应搜集和整理流域自然地理概况、流域和河道特征、流域的暴雨和洪水特性、现有水利设施和水土保持措施等资料。

对设计洪水所依据的暴雨洪水资料和河道特征资料要重点进行复核。

资料复核是在资料整编的基础上，侧重大水年、观测质量较差的年份进行复查，研究解决水文观测、整编遗留的重大技术问题。

在50年代，水位资料复核着重资料的连续性和合理性。

60年代，积累以前的经验，侧重测站基面采用是否统一，检查引测水准点的高程是否可靠，核定水尺零点高程的变化等方面。

对于流量资料，建国以前及建国初期的测站多用浮标测流，复核此时期的资料，多采用水量平衡原理检查，特别注意浮标系数、借用断面是否适当等方面的问题；以后随着流速仪法普遍应用，资料复核侧重简测法、水面一点法是否有足够的精测比测分析。

70年代以后，随着国民经济的发展，人类活动对水文影响日益突出，流域内水利水电工程增多，洪水系列的下垫面基础不一致。

这一时期的流量资料应还原到同一基础，还原的方法一般为水量平衡法和建库前后峰量相关法等。

如实测洪水系列较短或实测期内有缺测年份，为使洪水系列增长和连续，增加统计资料的精度，需要进行插补延长。

插补延长的方法有：上下游或邻近流域相关法；洪峰和洪量相关法和暴雨洪水相关法等。

插补延长方法长期以来变化甚少，建国初期由于测站稀少，允许应用辗转相关法；随着测站增多，此法已基本上不再使用。

对暴雨资料的插补延长，50年代曾应用站年法；随着测站增加，多直接移用邻站资料和应用暴雨等值线插补，有时也应用暴雨洪水关系插补面平均暴雨资料。

设计洪水分析计算要求具有较长系列的水文资料作基础。

用短期资料计算设计洪水，成果代表性较差，但是当充分考虑历史洪水资料以后，计算成果的代表性可以得到显著改善。

据早期所建一些大型水库统计，在使用了历史洪水资料以后的设计洪水数据经多次复核计算，始终比较稳定，本流域丹江口水利枢纽就是一个典型的例子。

在设计洪水计算中充分运用调查的历史洪水或历史暴雨资料，提高计算精度，是长江水利水电工程建设实践中开创的一条重要经验。

（一）“35.7”暴雨调查资料的整理与分析
1935年7月上旬，长江流域发生了一次特大暴雨（简称“35.7”暴雨）。

这次暴雨是中国有雨量观测资料以来的最大暴雨之一，为长江流域有记录以来强度最大的一次暴雨。

分布面积广、强度大、持续时间长，造成澧水、清江、汉江、三峡区间下段及中下游严重的洪水灾害。

建国前水文工作非常薄弱，站点很少，仪器设备差，观测精度不高，有的甚至是伪造的，不能反映暴雨的真实情况。

位于清江下游隔河岩水利枢纽水文分析，急需弄清这次暴雨的成因。

乃以上海徐家汇气象台和南京北极阁气象台绘制的东亚地面天气图为依据，分析暴雨发生前后的大气环流背景及该年7月2~7日暴雨天气过程，掌握了这次暴雨强度特大、持续时间长、暴雨期间雨区位置稳定少变、暴雨带长轴走向（不是常见的东西向，而是南北向）等特点及其成因，据以对雨区内13个雨量站的观测资料进行对照分析，否定了其中5个站，调整了3个站，为暴雨等值线图绘制打好基础。

暴雨等值线的绘制，主要依据实测雨量资料，参照现场调查定性定量分析估计成果，考虑地形影响及雨情水情地区分布情况、天气过程特点，并以调查洪水或实测洪水控制主要流域的时空分布，在水量平衡基础上进行调整。

五峰、兴山两个大暴雨中心，根据实测数据及调查的洪水资料，经水量平衡，结合地形条件，反复分析计算，予以认定。

在分析暴雨等值线梯度大小及轴向时，注意了山脉走向，山坡陡度对水汽输送抬升和屏障的作用。

这样，绘制出7月
3~7日的5d总雨量等值线和分日雨量等值线，以及7月1~10日、3~5日、4~6日的10d和3d总雨量等值线。

以上成果充分运用了暴雨调查资料，进行了较细致的考证和合理性分析，提高了成果可靠性，为清江隔河岩和汉江丹江口水利枢纽设计洪水计算提供了依据，曾获水电部科学技术进步奖。

（二）1870年洪水过程线调查资料的整理分析
对于1870年的洪水，有关省市及长办进行了多次反复的调查，收集渝~宜间沿江洪水题刻90余处，指认洪痕250余处，以及历史文献档案数百篇。

通过各河段调查到的最高水面线分析，便能较可靠的推算洪峰流量，但如何推算出洪水的进程分配则很困难。

后来又通过调查资料及文献，发现清同治十三年（公元1874年）编写的《万县志采访事实》记有1870年洪水上涨过程的描述，涪陵李渡镇居民的水账和忠县乌洋溪调查资料也有该年洪水涨落过程的参证资料；又从万县、巫山调查到紧接1870年主洪峰后的第二次峰的描述。

于是乃以《万县志采访事实》为基础进行分析计算，按其描述过程，确定万县水位，并把涪陵、忠县、巫山的调查水位均演算到万县，这样得出一个完整的、具有前峰大、后峰小的双峰型万县洪水过程线如表2-1-23。

根据万县站的水位流量关系，由水位过程换算出流量，再将此流量过程以洪流演进方法演算到宜昌，其结果与宜昌当地
调查的洪峰基本一致，从而为葛洲坝和三峡水利枢纽设计洪水提供了重要依据。

这一成果载入《洪水调查》（水利电力出版社1978年出版）一书，作为应用调查历史洪水资料进行洪水过程线分析的典型实例。

表2-1-23 万县站1870年洪水过程调查分析成果
（三）古洪水资料调查整理
河流发生大洪水时，往往漂流着由流域面上带来的孢子、花蕊、草木、碎叶、根茎等杂物，而当洪水趋于平稳转退水阶段，又沿程停留或沉积于河岸的滞流处，如洞穴、凹壁、回流区等，然后又为泥土或坡积物所掩埋，得以长久保存下来。

如通过调查勘测在沉积物顶面中采取样品，进行检测分析，可得到多种信息：①对古洪水平流沉积物顶面的高程和沉积环境加以测定，判析古洪水的最高水位；
②在实验室中测定所取样品中有机物的14C放谢性强度，按衰变原理可推算出古洪水发生的年代；③同次洪水沉积物可在河段中多处发现，因而可定出洪水比降，据此可估算古洪水流量；④多次洪水水面，可推得多次发生的洪水，构成古洪水系列。

这些信息可以使历史洪水的考证大幅度延长；洪水频率曲线上端增加了可信的点据，洪水计算的精度因而明显提高。

“长江三峡工程古洪水研究”课题是根据1987年水电部和三峡工程水文专家认证组的建议，由中国长江三峡工程开发总公司资助，河海大学与长委协作进行。

调查工作于1990年10月开始，经过课题组人员在三峡河段考查沉积剖面数百处，共取得古洪水沉积物样品92个，根据国家地震局碳14实验室的年代测定、河海大学的颗粒分析、江苏省冶金所的重矿物鉴定、分析沉积物采样点的水位、推算洪水流量。

成果表明在三峡坝区，距今2500年来，没有发现比1870年更大的洪水。

经水利部组织全国专家鉴定，认为成果达到国际先进水平。

这也说明，
长委会所提出的三峡工程设计洪水分析计算成果，经古洪水资料加入检验论证，显得更为合理安全可靠。

二、长江洪水基本规律分析
为了推求设计洪水能尽量符合客观实际，需要掌握、认识河流或河段洪水的基本特性，诸如对洪水成因、组成、遭遇、变化特征等进行分析研究。

1954年长江发生近百年来特大洪水，长委会在当年汛后立即组织对这年洪水的成因、天气气候及暴雨特性、水位流量变化、径流组成、洪峰和洪量变化特征、河道冲淤等作了详尽分析，提出了《1954年长江的洪水》分析报告。

与此同时，从多方面收集整理1931年、1935年水文、气象资料及历史洪水资料进行分析对比。

另外，为防汛抗旱需要，水情预报部门每年汛后，都对当年的雨情、水情变化和洪水特性作常规性的分析总结。

40多年来，随着资料信息的增加、经验的积累、分析工作的深化，对长江洪水基本规律和变化特性有了比较全面的认识。

（一）洪水成因
长江洪水由降雨形成，流域内降雨则又主要受季风的影响。

雨季与季风活动密切相关。

一般年份长江中下游南岸地区先进入雨季，然后逐渐向西北、向上游推进，在这种情况下，中下游支流洪水与上游洪水即不致遭遇，长江中下游干流即无大洪水发生。

长江发生大洪水可概括为两种类型：一类是各地区的雨季较常年延后、提前或持续时间增长，形成面积广、强度大、总量大的降雨，致使上游和中下游洪水相遭遇，形成峰高量大的流域性大洪水（如1954年）；另一类是部分地区或河段暴雨集中、强度特大、雨区稳定持续，形成地区性较大洪水（如1935年、1981年、1870年）。

（二）洪水组成与遭遇
长江干流汇集了各支流的来水，各年洪水来源不同，其组成与遭遇虽有差异，但也有一定的规律性。

据多年水文资料的统计分析，金沙江流量较平稳，是组成宜昌洪水的主要基础（约占1/3）；嘉陵江、岷江、沱江、乌江及三峡区间洪水相遭遇是形成宜昌洪峰的主要因素。

宜昌以上洪水占大通洪量50%左右，对中下游重点防洪的荆江河段则占90%以上，占汉口洪量约66%。

可见宜昌以上长江上游的洪水是长江中下游干流洪水的主要组成部分。

另外，洞庭湖、鄱阳湖水系在洪水组成中也占较大比重，如洞庭湖四水约占汉口洪量的23.9%，约占大通洪量的19.6%；鄱阳湖五河约占大通洪量的14.9%。

但上述组织只反映了洪水组成的一般情况，实际上各个洪水年之间存在较大差异，因此并不能反映大洪水及特大洪水的组成规律。

60年代在研究设计洪水时，曾试图寻求长江干流若干控制站以上的洪水组成规律，进行过洪水组合频率的研究，但限于当时的条件，只能根
据历年实际洪水资料分析洪水组成的频率；由于在实际洪水资料中大洪水的频次很少，因此分析所得的组合频率也不能反映大洪水特别是特大洪水的组成规律。

80年代中期以来，随着水文科学和电子计算技术的发展，又进一步开展了这项研究，并已取得一些初步成果。

但由于长江流域幅员广大、支流众多，圆满地解决这一问题尚存在不少困难。

三、标准的拟订
设计洪水标准可分为两类：第一类为确保水库、堤防等水工建筑物安全的防洪设计标准；第二类为保障防护对象免除一定洪水威胁的防洪设计标准。

在设计标准中，又分为正常运用的标准（通常称为设计标准）与非常运用的标准（通常称为校核标准）两级。

50年代中，设计洪水的计算，规定以频率计算为主，并参照苏联1948年规定标准，进行水库、堤防等水工建筑物的最大流量计算，按工程等级选用设计洪水数据。

长江流域综合利用规划，汉江流域治理轮廓规划，长江中下游防洪排渍规划和丹江口、鸭河口、陆水等水利工程的初步设计均以频率计算为主进行水文分析计算。

为了延长水文系列，增加频率计算成果的稳定性和精度，各单位进行了大量的洪水、枯水调查，在频率计算中加入历史资料计算，成为长江流域水文计算的一大特色。

关于水库设计洪水标准，1960年根据水电部的规定，水库按其规模大小分类，根据不同类型的水库分别确定水库工程设计标准与校核标准。

大型水库按千年一遇洪水设计，万年一遇洪水校核，并考虑可能最大洪水作为保坝洪水标准；中型水库按50~100年一遇洪水设计，500~1000年一遇洪水校核；小（一）型水库按30~50年一遇洪水设计，300~500年一遇洪水校核；小（二）型水为按20~30年一遇洪水设计，300年一遇洪水校核。

丹江口、三峡、隔河岩、乌江渡、王强溪、万安等水利枢纽总库容在10亿立方米以上，规划设计均用千年一遇洪水设计，万年一遇洪水校核，并加安全保证值。

“文化大革命”期间，有些人主张直接采用调查（或实测）特大洪水，或在此特大洪水基础上再适当加成作为设计洪水，如乌江渡、黄龙滩、五强溪等水利工程，当时即是这样确定设计洪水数据的。

从1966~1973年，成都勘测设计院在水文计算中，未采用频率计算方法，而直接采用历史洪水或历史洪水加成。

1969年葛洲坝工程直接采用1788年历史洪水设计，1870年洪水校核。

1975年8月河南发生特大暴雨，水电部重新提出进行水库防洪安全复核，并确定大中型水库及主要的小型水库都要以可能最大洪水作为校核标准。

安全复核的结果，大多数中、小型水库均需要加固，但所需决投资极大，且有些中、小
型水库也很难较合理地估算最大可能洪水，因此，对已建成的中、小型水库未严格按此标准进行加固。

第二类防洪设计标准，一般根据防护对象的重要性和防洪措施的具体情况而定，如特别重要的城市或特别重要的工矿区的防洪工程，其防洪标准应大于百年一遇的洪水；重要城市或重要工矿区为50至100年一遇洪水；中等城市或中等工矿区为20~50年一遇洪水；一般城市或一般工矿区为10~20年一遇洪水。

上述标准是从防洪的需要出发，但往往并不能立即采取防洪措施达到要求的标准，而是根据需要与可能逐步提高标准。

长江干流的堤防防洪标准一般以防御当地某一水位为准，因此各堤段的实际防洪能力很不一致。

1954年大洪水以后，中下游干堤要求防御1954年实际出现的最高水位，即沙市44.67m、城陵矶33.95m、汉口29.73m、湖口21.68m、南京10.22m，约相当于频率计算的10~20年一遇的洪水位。

1972年、1980年两次长江中下游防洪座谈会决定适当提高各地堤防的防御水位，即沙市45.00m、城陵矶34.4m、汉口29.73m、湖口22.50m、南京10.58m、高桥5.10m（未计台风影响）、吴淞口6.27m。

其中高桥站为1980年补订，吴淞口站1988年则补订为上海市防御水位。

为了总结洪水计算经验，统一技术标准，水电部曾在1961~1964年间组织编写《水工建筑物设计洪水规范（草案）》。

规划规定频率分析为全国大中型水利枢纽设计洪水的主要计算方法，并强调历史洪水资料的调查、考证和应用；对计算过程中各环节也提出统一的技术要求。

规范虽未正式颁布，但在大中型水电工程设计中，大多已按草案应用。

1978年8月，水电部颁发《水利水电工程设计洪水计算规范》（SDJ22-79试行），肯定了“多种方法，综合分析，合理选用”的设计洪水计算原则，增加了计算可能最大洪水的内容，频率计算法仍定为一种可行的计算方法。

长办水文局是该规范主要编写单位之一。

1980年3月，水利部又委托长办和东北勘测设计院负责主编《水利水电工程水文计算规范》。

通过广泛的调查研究，总结30年来水文计算方面的实践经验编写的规范，多次征求全国有关单位的意见，并经三次专业会议审定，1983年经水电部批准为部颁标准（SDJ214-83）。

1991年，由长委主编，南京水文水资源研究所为副主编，有水利部松辽委、能源部、水利部西北院、成都院参加，负责修订完成《水利水电工程设计洪水计算规范》（SL44-93），1993年由水利部、能源部发布实施。

为了配合规范实施，便于设计人员理解规范的内容和方法，还同时编写具有可操作性特点的《水利水电工程设计洪水计算手册》一书。

四、计算方法
建国初期，长江流域的水利工程采用频率计算方法来确定不同设计标准的最大洪峰流量（或最高水位）和各种时段的洪水总量。

在50年代，频率计算中的经验频率、频率曲线的线型和参数估算方法多参照苏联40年代末颁布的规范进行计算，如经验频率计算常采用中值公式，频率曲线线型常用克里斯基、闵克里型（克—闵型）。

随着经验的累积和研究的深入，逐渐发现克—闵型不完全适用于长江，而皮尔逊Ⅲ型（P-Ⅲ）却大多适用，故60年代的规范（草案）、70年代的规范（试行）都介绍经验频率计算公式为数学期望公式（又称Weibull公式），不提倡应用中值公式。

到80年代制订《水利水电工程水文计算规范》和90年代的《水利水电工程水文计算规范》则正式规定采用数学期望公式计算经验频率。

对于频率曲线线型的采用也有类似情况，规定应采用P-Ⅲ型，如要采用其他线型则需经过分析论证。

在应用频率方法的早期，最大洪峰流量或最高水位的计算，对资料系列的选择注意较少，往往只要是一年中的最大值就选用，而忽视频率分析的前提条件——洪水系列中各项洪水应满足相互独立且服从同一分布的假定。

经过较长时间的研究和资料积累，逐渐认识到：不同物理成因的洪水分布是不同的，具有不同统计特性，因此，不能混同作频率分析。

例如暴雨洪水与融雪洪水（长江上游）；梅雨期洪水与台风洪水（长江下游）；有些地区的夏季洪水与秋季洪水（汉江流域）就不宜当作一个洪水系列，更不应把垮坝决口所形成的洪水加入系列。

另外，由于流域内水利工程（主要是水库等蓄水工程）和水土保持措施的增多，影响到实测洪峰流量或最高水位的变化，因此，在用作频率计算时还需要进行还原。

由于洪水频率分析成果的质量在很大程度上取决于洪水系列的代表性，只有当洪水系列中各种量级洪水频率特性接近于总体分布时，设计洪水才具有可靠的精度。

提高洪水系列代表性的基本途径是增加洪水系列的信息量，在这方面，长江流域50年代初便注意到了。

60年代大规模地、系统地进行历史洪水的调查考证，就是增加洪水系列代表性的重点工作，已在基本资料的整理中记述不再赘言。

关于频率曲线的统计参数，长江流域水文部门和有关勘测设计院在采用矩法、极大似然法和适线法等传统估计方法，选择适线准则，综合对比分析等方面都积累了较丰富的实践经验，提出了满足工程设计的合理分析计算成果。

70年代末期以来，结合生产实际，对美国提出的期望概率估计方法作了不少有效的研究工作：河海大学和长办水文局就长江三峡工程，成都勘测设计院就金沙江溪落渡水电站进行了设计洪水期望概率专题研究。

按三峡洪水考证期830年，特大值9个；溪落渡洪水考证期173年，特大值7个，均模拟1000组样本。

并同样用P-Ⅲ型平方和准则优选适线，估计的统计参数千年、万年一遇设计值，期望概率与设计标准两套成果都较接近，再次表明加入历史洪水计算设计洪水的重要性。